光受信方法、光受信装置及びビート雑音推定器
【課題】本発明は、ビットパターンのゆらぎによる影響を小さくすることにより、ビート雑音推定器の推定誤差を小さくすることができる技術を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明のビート雑音推定器１３は、光電変換器１１が出力する受信電気信号９１に時間遅延を与える遅延子２１と、遅延子２１が時間遅延した受信電気信号９１から最尤判定器１２が出力する信号成分推定値９２を減算して受信電気信号９１から信号成分を除去した雑音信号９５を出力する減算器２２と、減算器２２が出力する雑音信号９５と最尤判定器１２が出力する信号成分推定値９２との相関関係から算出した補正前のビート雑音推定値を、最尤判定器１２が出力するビート雑音推定対象である複数の信号成分についての信号成分推定値９２の乗算値から算出した擬似的なビート雑音推定値で補正した値を、補正後のビート雑音推定値９３として出力する相関器２３と、を備える。
【解決手段】本発明のビート雑音推定器１３は、光電変換器１１が出力する受信電気信号９１に時間遅延を与える遅延子２１と、遅延子２１が時間遅延した受信電気信号９１から最尤判定器１２が出力する信号成分推定値９２を減算して受信電気信号９１から信号成分を除去した雑音信号９５を出力する減算器２２と、減算器２２が出力する雑音信号９５と最尤判定器１２が出力する信号成分推定値９２との相関関係から算出した補正前のビート雑音推定値を、最尤判定器１２が出力するビート雑音推定対象である複数の信号成分についての信号成分推定値９２の乗算値から算出した擬似的なビート雑音推定値で補正した値を、補正後のビート雑音推定値９３として出力する相関器２３と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光信号受信時に発生するビート雑音の影響を低減する光受信方法、光受信装置及びこれに備えられるビート雑音推定器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
複数の光を同時に光電変換した場合、それぞれの光の周波数差（波長間隔）に依存して周期的に変動するビート雑音が発生する。この変動は、光の位相差をパラメータとする正弦波の形で表せる。また、３つ以上の複数の光を同時に光電変換した場合には、その光位相差に応じて複数のビート雑音が発生することになる。ビート雑音の振幅は、信号成分の振幅以上の値をとることもあり、ビット誤り率（Ｂｉｔ Ｅｒｒｏｒ Ｒａｔｅ、以下、「ＢＥＲ」と呼ぶ）を大幅に増加させる。
【０００３】
複数のビート雑音が同時に発生した場合でも判定性能を向上させることができる光受信方法、光受信装置及びこれに備えられるビート雑音推定器が、特許文献１及び非特許文献１に開示されている。図１に従来技術の光受信装置の機能を説明するブロック図を示す。
【０００４】
図１の光受信装置は、光電変換器１１、ビート雑音推定器１３及び最尤判定器１２を備える。光電変換器１１は、受信した送信光信号９０を光電変換して受信電気信号９１を出力する。ビート雑音推定器１３は、光電変換器１１からの受信電気信号９１に含まれるビート雑音を推定し、推定したビート雑音をビート雑音推定値９３として出力する。最尤判定器１２は、光電変換器１１からの受信電気信号９１とビート雑音推定器１３からのビート雑音推定値９３とから、事後確率が最大となるビットパターンを送信光信号９０のビットパターンであると最大尤度判定し、光電変換器１１からの受信電気信号９１に含まれる信号成分を推定して信号成分推定値９２として出力する。
【０００５】
ビート雑音推定器１３は、光電変換器１１からの受信電気信号９１と最尤判定器１２からの信号成分推定値９２とからビート雑音推定値９３を推定する。ビート雑音推定器１３は、遅延子２１、減算器２２及び相関器２３を有する。遅延子２１は、光電変換器１１が出力する受信電気信号９１に時間遅延を与える。減算器２２は、遅延子２１が時間遅延した受信電気信号９１から最尤判定器１２が出力する信号成分推定値９２を減算して受信電気信号９１から信号成分を除去した雑音信号９５を出力する。相関器２３は、減算器２２が出力する雑音信号９５と最尤判定器１２が出力する信号成分推定値９２との相関関係からビート雑音を推定し、ビート雑音推定値９３として出力する。
【０００６】
相関器２３は、演算回路３１、信号変換器３２、乗算器３３及び高周波数成分除去器（Ｌｏｗ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ、以下、「ＬＰＦ」と呼ぶ）３４を有する。演算回路３１は、最尤判定器１２から出力される信号成分推定値９２に対し、特定のビート雑音成分を取り出すために所定の方法で信号を分類する。信号変換器３２は、演算回路３１で分類された信号に対し、所定の条件の下で振幅を変換する。乗算器３３は、減算器２２からの雑音信号９５と信号変換器３２から出力される信号との相関を取る。ＬＰＦ３４は、乗算器３３の出力を平均化することによって、乗算器３３から出力される信号に含まれる特定のビート雑音以外の雑音成分を低減する。
【０００７】
次に、最尤判定器１２で判定される信号成分の推定値が３チャネルある場合を例として相関器２３の説明をする。まず相関器２３の出力を特定のビート雑音だけにするために、演算回路３１は、発生するビート雑音の種類に基づいて、入力される信号成分推定値９２のビットパターンを３種に分類する。そして、信号変換器３２は、特定のビート雑音成分以外の雑音成分の平均が０になるよう、信号に乗算する係数を設定する。
【０００８】
ここで、ビート雑音成分を推定する場合について説明する。チャネルｐとチャネルｑによって発生するビート雑音をｂｐｑと表すことにする。例えば、ｂ１２は、チャネル１とチャネル２から発生するビート雑音を示している。具体的に、特定のビート雑音成分ｂ１２を推定する場合を説明する。なお、この例では強度変調を前提とし、｛１｝は光あり、｛０｝は光なしとする。３ビット信号の組み合わせのうち、ビート雑音が発生する場合を解析すると、ビート雑音は｛１｝の信号が２つ以上のチャネルで同時に存在する場合に発生するため、｛１｝の数が２、３と増えるごとにビート雑音の数もその相互関係より１（ｂ１２）、３（ｂ１２，ｂ１３，ｂ２３）と増える。推定する特定のビート雑音（ｂ１２）と信号成分の推定値の相関を取るために、以下の動作ルール例を導入する。
【０００９】
（１）ビットパターンが｛１，１，０｝の場合、パターン１とする。
（２）ビットパターンが｛１，１，１｝の場合、パターン２とする。
（３）ビットパターンが上記（１）、（２）以外の場合、パターン３とする。
（４）ビート雑音成分ｂ１２だけを取り出すために、パターン１，２，３についてそれぞれ、信号変換器３２で乗算係数２０／３，４／３，−４／３に従い、振幅値を変換する。
【００１０】
上記のルール例を３ビット信号パターンに適用した場合、減算器２２、信号変換器３２、乗算器３３の各出力は図７のように表せる。ｘはビート雑音以外の雑音を表す。ビート雑音以外の雑音とは、例えば、ガウス雑音である。乗算器３３の出力全パターンの合計は、８ｂ１２となることから、｛０，１｝信号が等確率に発生することを前提として乗算器出力を平均化すると、特定のビート雑音成分ｂ１２のみが取り出され、ｂ１２以外の雑音成分は全てキャンセルされ０になる。
【００１１】
このように、信号成分、ガウス雑音成分、ビート雑音成分を含む信号は、ビート雑音推定器１３によってビート雑音成分のみを有する信号に変換され、ビート雑音推定が達成される。上記説明は、３チャネルの場合であるが、ｎ（ｎ≧４）チャネルの場合でも信号変換器３２の乗算係数を適切に設定することにより、特定のビート雑音を推定することができる。ビート雑音推定器１３がビート雑音成分を推定し、その推定値を用いて事後確率を求め最大尤度判定するため、最尤判定器１２は受信信号が有する多くの尤度情報を事後確率の演算に取り入れることができ、高い最大尤度判定性能を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００９−１７１２７４号公報
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】“Ｍａｘｉｍｕｍ ｌｉｋｅｌｉｈｏｏｄ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｂｅａｔ ｎｏｉｓｅ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｍｉｎｉｍｉｚｉｎｇ ｂｉｔ ｅｒｒｏｒ ｒａｔｅ ｉｎ ＯＣＤＭ−ｂａｓｅｄ ｓｙｓｔｅｍ”，Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ，ｖｏｌ．１７，ｐｐ．１２４３３−１２４４３，２００９．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
特許文献１及び非特許文献１のビート雑音推定器１３によるビート雑音推定方法は、最尤判定器１２によって推定された送信ビットパターンの発生頻度が全てのビットパターンで等しいという仮定の下に推定する方法である。よって、実システムのようにビットパターンの発生頻度が必ずしも一律ではなくゆらぎがある場合は、相関関係に歪みが生じ、ビート雑音の推定誤差に影響を及ぼす場合がある。
【００１５】
実システムのようにビットパターンの発生頻度が必ずしも一律ではなくゆらぎがある場合を考察するにあたり、相関器２３中のＬＰＦ３４における時定数に注目する。ビート雑音推定器１３で推定するビート雑音は、低周波である位相雑音も含めて推定する必要があるため、ＬＰＦ３４のカットオフ周波数をなるべく高く設定する、つまり時定数を短くすることが望まれる。また、時定数を長く取るとビート雑音推定器１３の出力においてタイムラグが発生するという理由からも時定数は短く設定することが望ましい。一方、時定数を短くすると平均化する際のサンプル数が減るため、ビットパターンに偏りが生じ、ゆらぎによる推定誤差が大きくなる。これらを図８にまとめる。以上より、ビットパターンのゆらぎによる影響を小さくすることができれば、ＬＰＦ３４の時定数を短く設定したとしても、ビート雑音推定器１３の推定誤差を小さくすることが可能である。
【００１６】
そこで、前記課題を解決するために、本発明は、ビットパターンのゆらぎによる影響を小さくすることにより、ビート雑音推定器の推定誤差を小さくすることができる、光受信方法、光受信装置及びビート雑音推定器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記目的を達成するために、ビート雑音推定器は、雑音信号と信号成分推定値とから算出した補正前のビート雑音推定値を、ビート雑音推定対象である複数の信号成分についての信号成分推定値の乗算値から算出した擬似的なビート雑音推定値で補正した値を、補正後のビート雑音推定値として出力することとした。
【００１８】
具体的には、本発明は、光電変換器が、受信した送信光信号を光電変換して受信電気信号を出力し、ビート雑音推定器が、前記光電変換器からの受信電気信号に含まれるビート雑音を推定し、推定したビート雑音をビート雑音推定値として出力し、最尤判定器が、前記光電変換器からの受信電気信号と前記ビート雑音推定器からのビート雑音推定値とから、事後確率が最大となるビットパターンを前記送信光信号のビットパターンであると最大尤度判定し、前記光電変換器からの受信電気信号に含まれる信号成分を推定して信号成分推定値として出力する、光受信方法であって、前記ビート雑音推定器は、遅延子、減算器及び相関器を有しており、前記遅延子は、前記光電変換器が出力する受信電気信号に時間遅延を与え、前記減算器は、前記遅延子が時間遅延した受信電気信号から前記最尤判定器が出力する信号成分推定値を減算して受信電気信号から信号成分を除去した雑音信号を出力し、前記相関器は、前記減算器が出力する雑音信号と前記最尤判定器が出力する信号成分推定値との相関関係から算出した補正前のビート雑音推定値を、前記最尤判定器が出力するビート雑音推定対象である複数の信号成分についての信号成分推定値の乗算値から算出した擬似的なビート雑音推定値で補正した値を、補正後のビート雑音推定値として出力することを特徴とする光受信方法である。
【００１９】
また、本発明は、受信した送信光信号を光電変換して受信電気信号を出力する光電変換器と、前記光電変換器からの受信電気信号に含まれるビート雑音を推定し、推定したビート雑音をビート雑音推定値として出力するビート雑音推定器と、前記光電変換器からの受信電気信号と前記ビート雑音推定器からのビート雑音推定値とから、事後確率が最大となるビットパターンを前記送信光信号のビットパターンであると最大尤度判定し、前記光電変換器からの受信電気信号に含まれる信号成分を推定して信号成分推定値として出力する最尤判定器と、を備える光受信装置であって、前記ビート雑音推定器は、前記光電変換器が出力する受信電気信号に時間遅延を与える遅延子と、前記遅延子が時間遅延した受信電気信号から前記最尤判定器が出力する信号成分推定値を減算して受信電気信号から信号成分を除去した雑音信号を出力する減算器と、前記減算器が出力する雑音信号と前記最尤判定器が出力する信号成分推定値との相関関係から算出した補正前のビート雑音推定値を、前記最尤判定器が出力するビート雑音推定対象である複数の信号成分についての信号成分推定値の乗算値から算出した擬似的なビート雑音推定値で補正した値を、補正後のビート雑音推定値として出力する相関器と、を有することを特徴とする光受信装置である。
【００２０】
また、本発明は、受信した送信光信号を光電変換して受信電気信号を出力する光電変換器が出力する受信電気信号に時間遅延を与える遅延子と、前記遅延子が時間遅延した受信電気信号から、前記光電変換器からの受信電気信号に含まれる信号成分を推定して信号成分推定値として出力する最尤判定器が出力する信号成分推定値を減算して、受信電気信号から信号成分を除去した雑音信号を出力する減算器と、前記減算器が出力する雑音信号と前記最尤判定器が出力する信号成分推定値との相関関係から算出した補正前のビート雑音推定値を、前記最尤判定器が出力するビート雑音推定対象である複数の信号成分についての信号成分推定値の乗算値から算出した擬似的なビート雑音推定値で補正した値を、補正後のビート雑音推定値として出力する相関器と、を備えることを特徴とするビート雑音推定器である。
【００２１】
雑音信号と信号成分推定値とから算出したビート雑音推定値は、補正前のビート雑音推定値である。ビート雑音推定対象である複数の信号成分についての信号成分推定値の乗算値から算出したビート雑音推定値は、擬似的なビート雑音推定値である。ここで、補正前のビート雑音推定値は、補正後のビート雑音推定値及びビットパターンのゆらぎの影響を反映した係数の乗算値である。そして、擬似的なビート雑音推定値は、既知の振幅のビート雑音及びビットパターンのゆらぎの影響を反映した係数の乗算値である。補正前のビート雑音推定値を擬似的なビート雑音推定値で補正することにより、ビットパターンのゆらぎの影響を反映した係数はキャンセルされ、補正後のビート雑音推定値を既知の振幅のビート雑音で除することと同様の結果を得る。当該結果及び既知の振幅から、正確なビート雑音推定値を算出することができ、ビート雑音推定器の推定誤差を小さくすることができる。ビート雑音推定器として、相関器を利用することができる。
【００２２】
また、本発明は、前記送信光信号は、送信側からの送信データが周波数領域にて符号化する光符号分割多重方式で多重化されており、光分離器が、前記送信光信号を周波数成分毎に複数の光信号に分離し、前記光分離器で分離された光信号の数だけ備えられた前記光電変換器が、分離された光信号毎に光電変換して受信電気信号を出力し、前記ビート雑音推定器が、受信電気信号のビート雑音を推定し、前記最尤判定器が、受信電気信号の復号と最大尤度判定を行うことを特徴とする光受信方法である。
【００２３】
また、本発明は、前記送信光信号は、送信側からの送信データが周波数領域にて符号化する光符号分割多重方式で多重化されており、光分離器が、前記送信光信号を周波数成分毎に複数の光信号に分離し、前記光分離器で分離された光信号の数だけ備えられた前記光電変換器が、分離された光信号毎に光電変換して受信電気信号を出力し、前記ビート雑音推定器が、受信電気信号のビート雑音を推定し、前記最尤判定器が、受信電気信号の復号と最大尤度判定を行うことを特徴とする光受信装置である。
【００２４】
この構成によれば、周波数領域において符号化する光ＣＤＭ方式によって光多重伝送が行われる場合でもビート雑音の影響を低減することができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明は、ビットパターンのゆらぎによる影響を小さくすることにより、ビート雑音推定器の推定誤差を小さくすることができる、光受信方法、光受信装置及びビート雑音推定器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】従来技術の光受信装置の機能を説明するブロック図である。
【図２】実施形態１の光受信装置の機能を説明するブロック図である。
【図３】図１の光受信装置でのビート雑音推定値の出力特性を示した図である。
【図４】図２の光受信装置でのビート雑音推定値の出力特性を示した図である。
【図５】実施形態２の光受信装置の機能を説明するブロック図である。
【図６】図５の光受信装置でのデータ系列のＢＥＲ特性を示した図である。
【図７】各ビットパターンでの減算器、信号変換器及び乗算器の出力を示す図である。
【図８】ビット雑音推定値の推定誤差の様々な原因を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施の例であり、本発明は以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。
【００２８】
（実施形態１）
図２に本実施形態の光受信装置の機能を説明するブロック図を示す。図２の光受信装置の動作を説明する。光通信路より伝送されてきた送信光信号９０は、光電変換器１１にて受信電気信号９１に変換される。光電変換器１１には一般的なフォトダイオード（Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ：ＰＤ）などが適用される。受信電気信号９１は分離され最尤判定器１２及びビート雑音推定器１３に入力される。受信電気信号９１には信号成分の他にガウス雑音及びビート雑音が含まれる。最尤判定器１２ではこれら雑音が含まれる受信電気信号９１を、事後確率を用いて正しい信号成分だけ取り出すように最大尤度判定する。
【００２９】
最大尤度判定は、ガウス雑音に対する確率密度分布とビート雑音推定器１３によって推定されるビート雑音に対する確率密度分布を用いて事後確率を演算し、最も事後確率が大きくなるビットパターンを選択する判定方法である。最尤判定器１２は、選択されたビットパターンを受信電気信号９１に含まれる信号成分を推定し、信号成分推定値９２を出力する。例えば、最尤判定器１２が、光電変換器１１からの受信電気信号９１に含まれるガウス雑音に対する確率密度分布と光電変換器１１からの受信電気信号９１に含まれるビート雑音に対する確率密度分布とを用いてビットパターン全ての事後確率を演算し、最大の事後確率のビットパターンを送信光信号９０のビットパターンであると最大尤度判定することとしてもよい。
【００３０】
ビート雑音推定器１３は、光電変換器１１にて出力される受信電気信号９１と最尤判定器１２にて出力される信号成分推定値９２を基に、所定の方法によりビート雑音の推定を行う。図２の光受信装置は、最尤判定器１２の最大尤度判定とビート雑音推定器１３の推定との組み合わせにより、受信電気信号９１に対するビート雑音の影響を低減する。なお、複数のビート雑音が発生する場合、発生した全てのビート雑音を推定する必要があるため、受信装置は発生するビート雑音の数の分だけビート雑音推定器１３を備える。
【００３１】
最尤判定器１２とビート雑音推定器１３とは、各々互いの推定情報を利用しているため、初期状態では推定精度が低い、あるいは発散してしまう可能性がある。そこで初期状態の最尤判定器１２は、通信開始時に送信される固定のプリアンブルパターンを出力するものとし、ビート雑音推定器１３の精度が高くなった時点で、最大尤度判定結果の出力に切り替えるものとしてもよい。
【００３２】
相関器２３は、演算回路３１、信号変換器３２、乗算器３３及びＬＰＦ３４の他に、乗算器３５、ＬＰＦ３６及びゆらぎ補正演算器３７を有する。演算回路３１は、最尤判定器１２が出力するビート雑音推定対象である複数の信号成分について、信号成分推定値の乗算値を算出する。乗算器３５は、ビットパターンのパターン１，２，３に応じて、演算回路３１からの乗算値と信号変換器３２からの係数を乗算する。ＬＰＦ３６は、乗算器３５からの乗算値を平均化して、擬似的なビート雑音推定値を算出する。ゆらぎ補正演算器３７は、ＬＰＦ３４からの補正前のビート雑音推定値を、ＬＰＦ３６からの擬似的なビート雑音推定値で補正した値を、補正後のビート雑音推定値として出力する。
【００３３】
ビットパターンのゆらぎがビート雑音推定値にどのように影響するかを説明する。ビットパターンが｛１，１，ｘ｝（ｘは｛０｝または｛１｝）の発生頻度のゆらぎ成分としてα及びβを定義する。ゆらぎ成分α、βを用いると、ビットパターン｛１，１，０｝の発生頻度は１／８＋αと表せ、ビットパターン｛１，１，１｝の発生頻度は１／８＋βと表せる。ＬＰＦ３４からの補正前のビート雑音推定値ｂ＾１２は数式（１）のようになる。ただし、ａ＝２０／３α＋４／３βとする。
ｂ＾１２＝｛２０／３（１／８＋α）＋４／３（１／８＋β）｝ｂ１２
＝｛１＋２０／３α＋４／３β｝ｂ１２＝（１＋ａ）ｂ１２ （１）
【００３４】
つまり、ビットパターンのゆらぎがなければ、乗算器３５、ＬＰＦ３６及びゆらぎ補正演算器３７による補正がなくても、ａ＝０（α＝０、β＝０）となることから、ビットパターンのゆらぎ成分による推定誤差が０となり、ビート雑音推定値はｂ１２となる。しかし、ビットパターンのゆらぎが大きいと、乗算器３５、ＬＰＦ３６及びゆらぎ補正演算器３７による補正がなければ、ビットパターンのゆらぎ成分による推定誤差が大きくなり、ビート雑音推定値はｂ１２とは異なるｂ＾１２となる。
【００３５】
そこで、実施形態１のビート雑音推定器１３は、以下の説明のように動作する。演算回路３１、信号変換器３２、乗算器３３及びＬＰＦ３４は、従来技術と同様に補正前のビート雑音推定値を算出する。演算回路３１、信号変換器３２、乗算器３５及びＬＰＦ３６は、擬似的なビート雑音を算出する。ゆらぎ補正演算器３７は、補正前のビート雑音推定値を擬似的なビート雑音推定値で補正した値を、補正後のビート雑音推定値として出力する。
【００３６】
演算回路３１は、｛１，１，０｝及び｛１，１，１｝のビットパターンにおいて、ビート雑音推定対象であるチャネル１、２の信号成分について、それぞれ信号成分推定値の乗算値として１を算出する。そして、演算回路３１は、｛１，１，０｝及び｛１，１，１｝以外のビットパターンにおいて、ビート雑音推定対象であるチャネル１、２の信号成分について、それぞれ信号成分推定値の乗算値として０を算出する。このように、演算回路３１は、信号成分推定値の乗算値として１を算出することにより、振幅が実際とは異なり１である擬似的なビート雑音信号を生成しているのである。
【００３７】
なお、本来のビート雑音信号は、数式（２）のように表せる。ここで、ｃ１、ｃ２は、チャネル１、２の送信ビット、Ａ１、Ａ２は、チャネル１、２の信号振幅、ｆ１、ｆ２は、チャネル１、２の光周波数、θ１、θ２は、チャネル１、２の位相雑音を表す。
ｃ１×ｃ２×Ａ１×Ａ２×ｃｏｓ（２π（ｆ１−ｆ２）ｔ＋θ１−θ２） （２）
【００３８】
乗算器３５は、｛１，１，０｝のビットパターンに応じて、演算回路３１からの乗算値である１と信号変換器３２からの係数である２０／３を乗算し、乗算値として２０／３を算出する。そして、乗算器３５は、｛１，１，１｝のビットパターンに応じて、演算回路３１からの乗算値である１と信号変換器３２からの係数である４／３を乗算し、乗算値として４／３を算出する。さらに、乗算器３５は、｛１，１，０｝及び｛１，１，１｝以外のビットパターンに応じて、演算回路３１からの乗算値である０と信号変換器３２からの係数である（−４／３）を乗算し、乗算値として０を算出する。
【００３９】
ビットパターン｛１，１，０｝の発生頻度は１／８＋αであり、ビットパターン｛１，１，１｝の発生頻度は１／８＋βである。よって、ＬＰＦ３６は、乗算器３５からの乗算値を平均化して、擬似的なビート雑音推定値を数式（３）のように算出する。
２０／３（１／８＋α）＋４／３（１／８＋β）
＝１＋２０／３α＋４／３β＝１＋ａ （３）
【００４０】
数式（１）に記載したように、補正前のビート雑音推定値は（１＋ａ）ｂ１２であり、数式（３）に記載したように、擬似的なビート雑音推定値は１＋ａである。よって、ゆらぎ補正演算器３７は、補正前のビート雑音推定値を擬似的なビート雑音推定値で除する補正をした値ｂ１２を、補正後のビート雑音推定値として出力することができる。
【００４１】
なお、本実施形態では、対応する係数２０／３の絶対値が大きく発生頻度のゆらぎの影響が支配的になるビットパターンに注目して、｛１，１，ｘ｝の発生頻度のゆらぎα、βのみを補正の対象にしている。残りの｛０，０，０｝〜｛１，０，１｝の６パターンの発生頻度のゆらぎに対しても、本実施形態を拡張して適用することができる。
【００４２】
全てのビットパターンの発生頻度のゆらぎを補正する場合、ビート雑音推定値は数式（４）のように表せる。ここで、行列ａは、数式（１）のａに相当するビットパターンの発生頻度のゆらぎ、ベクトルｂ＾は、数式（１）のｂ＾１２に相当するビート雑音推定対象である複数の信号成分についての補正前のビート雑音推定値、ベクトルｂは、数式（１）のｂ１２に相当するビート雑音推定対象である複数の信号成分についての補正後のビート雑音推定値、行列Ｉは、単位行列を表す。よって、数式（４）の両辺に左側から（Ｉ＋ａ）−１という逆行列を乗算する補正をすることにより、ビート雑音推定対象である複数の信号成分についての補正後のビート雑音推定値ｂを算出することができる。
ｂ＾＝（Ｉ＋ａ）・ｂ （４）
【００４３】
図３は、図１の従来技術の光受信装置でのビート雑音推定値の出力特性を示した図であり、図４は、図２の実施形態１の光受信装置でのビート雑音推定値の出力特性を示した図である。横軸は、ある時刻におけるビットタイムを示しており、縦軸は、ビート雑音信号の大きさを示しており、ＬＰＦ３４、３６の時定数は、τ＝４０［ｂｉｔ ｔｉｍｅ］である。ビート雑音信号は通常数式（２）のように正弦波信号となるため、入力信号はビート雑音信号が正弦波信号となるような信号を用いている。図３、４では、入力信号のビート雑音の大きさが、ビート雑音推定値の大きさと合わせて示されている。
【００４４】
図１の従来技術の光受信装置では、ビート雑音の推定誤差が発生し、特にビート雑音が大きい場合にビート雑音の推定誤差もより大きくなっている。図２の実施形態１の光受信装置では、ビート雑音の推定誤差は発生するものの、その大きさは非常に小さくビート雑音の大きさによらずにビート雑音をほぼ推定できていることは明らかである。
【００４５】
以上の動作によって、送信ビットパターンのゆらぎに依存しないビート雑音推定が達成される。上記は、３チャネルの場合を掲載しているが、ｎ（ｎ≧４）チャネルの場合でも係数を適切に設定することにより、特定のビート雑音を推定することができる。
【００４６】
（実施形態２）
図５に本実施形態の光受信装置の機能を説明するブロック図を示す。図５の光受信装置と図２の光受信装置との違いは、送信光信号９０を周波数成分毎に複数の光信号に分離する光分離器５１と、光分離器５１で分離された光信号の数の光電変換器を備えていることである。図５の光受信装置では、光分離器５１が送信光信号９０を３つの光信号に分離するため、光電変換器５２ａ、光電変換器５２ｂ及び光電変換器５２ｃを備えている。
【００４７】
図５の光受信装置は、光ＣＤＭ方式を前提とし、なかでも周波数領域において符号化する方式において、ユーザあるいはチャネル間で同一周波数を共有することから発生するビート雑音の影響低減を目的としている。
【００４８】
具体的には、図５の光受信装置の光受信方法は、送信光信号９０は、送信側からの送信データが周波数領域にて符号化する光符号分割多重方式で多重化されており、光分離器５１が、送信光信号９０を周波数成分毎に複数の光信号に分離し、光分離器５１で分離された光信号の数だけ備えられた光電変換器５２ａ〜５２ｃが、分離された光信号毎に光電変換して受信電気信号９１を出力し、ビート雑音推定器１３が、受信電気信号９１のビート雑音を推定し、最尤判定器５３が、受信電気信号９１の復号と最大尤度判定を行う。ここで、ビート雑音推定器１３は全ての受信電気信号９１のビート雑音を推定してもよく、最尤判定器５３が、全ての受信電気信号９１の復号と最大尤度判定を行ってもよい。
【００４９】
図６は、図５の光受信装置を用いた場合の、データ系列のＢＥＲ特性を示した図である。発明の効果を示すために、従来の光受信方法である硬判定により信号判定した結果も合わせて示す。ビート雑音の影響を考えない場合、硬判定によるＢＥＲ特性は破線Ｒ１のようになる。ビート雑音の影響を考慮した場合、ＢＥＲ特性は破線Ｒ２のようになる。破線Ｒ１に比べＢＥＲ特性は劣化し、ビート雑音の影響が非常に大きい。一方、図５の光受信装置で説明した光受信方法を適用すると実線Ｒ３のようになる。実線Ｒ３のＢＥＲ特性は大幅に改善され、ビート雑音の影響が低減される。
【００５０】
このように、図５の光受信装置は、周波数領域において符号化する光ＣＤＭ方式によって光多重伝送が行われる場合でも、ビート雑音の影響を低減することが可能である。なお、本実施形態においては、ユーザ数及び使用周波数の数が限定されるということはない。よって、光電変換器５２ａ〜５２ｃの数も使用周波数の数に対応して変わることになる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
複数の光信号を同時に受信する光受信装置であれば、公衆通信網、専用網、ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）等に適用することができる。
【符号の説明】
【００５２】
１１：光電変換器
１２：最尤判定器
１３：ビート雑音推定器
２１：遅延子
２２：減算器
２３：相関器
３１：演算回路
３２：信号変換器
３３：乗算器
３４：ＬＰＦ
３５：乗算器
３６：ＬＰＦ
３７：ゆらぎ補正演算器
５１：光分離器
５２ａ、５２ｂ、５２ｃ：光電変換器
５３：最尤判定器
９０：送信光信号
９１：受信電気信号
９２：信号成分推定値
９３：ビート雑音推定値
９５：雑音信号
Ｒ１、Ｒ２：破線
Ｒ３：実線
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光信号受信時に発生するビート雑音の影響を低減する光受信方法、光受信装置及びこれに備えられるビート雑音推定器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
複数の光を同時に光電変換した場合、それぞれの光の周波数差（波長間隔）に依存して周期的に変動するビート雑音が発生する。この変動は、光の位相差をパラメータとする正弦波の形で表せる。また、３つ以上の複数の光を同時に光電変換した場合には、その光位相差に応じて複数のビート雑音が発生することになる。ビート雑音の振幅は、信号成分の振幅以上の値をとることもあり、ビット誤り率（Ｂｉｔ Ｅｒｒｏｒ Ｒａｔｅ、以下、「ＢＥＲ」と呼ぶ）を大幅に増加させる。
【０００３】
複数のビート雑音が同時に発生した場合でも判定性能を向上させることができる光受信方法、光受信装置及びこれに備えられるビート雑音推定器が、特許文献１及び非特許文献１に開示されている。図１に従来技術の光受信装置の機能を説明するブロック図を示す。
【０００４】
図１の光受信装置は、光電変換器１１、ビート雑音推定器１３及び最尤判定器１２を備える。光電変換器１１は、受信した送信光信号９０を光電変換して受信電気信号９１を出力する。ビート雑音推定器１３は、光電変換器１１からの受信電気信号９１に含まれるビート雑音を推定し、推定したビート雑音をビート雑音推定値９３として出力する。最尤判定器１２は、光電変換器１１からの受信電気信号９１とビート雑音推定器１３からのビート雑音推定値９３とから、事後確率が最大となるビットパターンを送信光信号９０のビットパターンであると最大尤度判定し、光電変換器１１からの受信電気信号９１に含まれる信号成分を推定して信号成分推定値９２として出力する。
【０００５】
ビート雑音推定器１３は、光電変換器１１からの受信電気信号９１と最尤判定器１２からの信号成分推定値９２とからビート雑音推定値９３を推定する。ビート雑音推定器１３は、遅延子２１、減算器２２及び相関器２３を有する。遅延子２１は、光電変換器１１が出力する受信電気信号９１に時間遅延を与える。減算器２２は、遅延子２１が時間遅延した受信電気信号９１から最尤判定器１２が出力する信号成分推定値９２を減算して受信電気信号９１から信号成分を除去した雑音信号９５を出力する。相関器２３は、減算器２２が出力する雑音信号９５と最尤判定器１２が出力する信号成分推定値９２との相関関係からビート雑音を推定し、ビート雑音推定値９３として出力する。
【０００６】
相関器２３は、演算回路３１、信号変換器３２、乗算器３３及び高周波数成分除去器（Ｌｏｗ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ、以下、「ＬＰＦ」と呼ぶ）３４を有する。演算回路３１は、最尤判定器１２から出力される信号成分推定値９２に対し、特定のビート雑音成分を取り出すために所定の方法で信号を分類する。信号変換器３２は、演算回路３１で分類された信号に対し、所定の条件の下で振幅を変換する。乗算器３３は、減算器２２からの雑音信号９５と信号変換器３２から出力される信号との相関を取る。ＬＰＦ３４は、乗算器３３の出力を平均化することによって、乗算器３３から出力される信号に含まれる特定のビート雑音以外の雑音成分を低減する。
【０００７】
次に、最尤判定器１２で判定される信号成分の推定値が３チャネルある場合を例として相関器２３の説明をする。まず相関器２３の出力を特定のビート雑音だけにするために、演算回路３１は、発生するビート雑音の種類に基づいて、入力される信号成分推定値９２のビットパターンを３種に分類する。そして、信号変換器３２は、特定のビート雑音成分以外の雑音成分の平均が０になるよう、信号に乗算する係数を設定する。
【０００８】
ここで、ビート雑音成分を推定する場合について説明する。チャネルｐとチャネルｑによって発生するビート雑音をｂｐｑと表すことにする。例えば、ｂ１２は、チャネル１とチャネル２から発生するビート雑音を示している。具体的に、特定のビート雑音成分ｂ１２を推定する場合を説明する。なお、この例では強度変調を前提とし、｛１｝は光あり、｛０｝は光なしとする。３ビット信号の組み合わせのうち、ビート雑音が発生する場合を解析すると、ビート雑音は｛１｝の信号が２つ以上のチャネルで同時に存在する場合に発生するため、｛１｝の数が２、３と増えるごとにビート雑音の数もその相互関係より１（ｂ１２）、３（ｂ１２，ｂ１３，ｂ２３）と増える。推定する特定のビート雑音（ｂ１２）と信号成分の推定値の相関を取るために、以下の動作ルール例を導入する。
【０００９】
（１）ビットパターンが｛１，１，０｝の場合、パターン１とする。
（２）ビットパターンが｛１，１，１｝の場合、パターン２とする。
（３）ビットパターンが上記（１）、（２）以外の場合、パターン３とする。
（４）ビート雑音成分ｂ１２だけを取り出すために、パターン１，２，３についてそれぞれ、信号変換器３２で乗算係数２０／３，４／３，−４／３に従い、振幅値を変換する。
【００１０】
上記のルール例を３ビット信号パターンに適用した場合、減算器２２、信号変換器３２、乗算器３３の各出力は図７のように表せる。ｘはビート雑音以外の雑音を表す。ビート雑音以外の雑音とは、例えば、ガウス雑音である。乗算器３３の出力全パターンの合計は、８ｂ１２となることから、｛０，１｝信号が等確率に発生することを前提として乗算器出力を平均化すると、特定のビート雑音成分ｂ１２のみが取り出され、ｂ１２以外の雑音成分は全てキャンセルされ０になる。
【００１１】
このように、信号成分、ガウス雑音成分、ビート雑音成分を含む信号は、ビート雑音推定器１３によってビート雑音成分のみを有する信号に変換され、ビート雑音推定が達成される。上記説明は、３チャネルの場合であるが、ｎ（ｎ≧４）チャネルの場合でも信号変換器３２の乗算係数を適切に設定することにより、特定のビート雑音を推定することができる。ビート雑音推定器１３がビート雑音成分を推定し、その推定値を用いて事後確率を求め最大尤度判定するため、最尤判定器１２は受信信号が有する多くの尤度情報を事後確率の演算に取り入れることができ、高い最大尤度判定性能を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００９−１７１２７４号公報
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】“Ｍａｘｉｍｕｍ ｌｉｋｅｌｉｈｏｏｄ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｂｅａｔ ｎｏｉｓｅ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｍｉｎｉｍｉｚｉｎｇ ｂｉｔ ｅｒｒｏｒ ｒａｔｅ ｉｎ ＯＣＤＭ−ｂａｓｅｄ ｓｙｓｔｅｍ”，Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ，ｖｏｌ．１７，ｐｐ．１２４３３−１２４４３，２００９．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
特許文献１及び非特許文献１のビート雑音推定器１３によるビート雑音推定方法は、最尤判定器１２によって推定された送信ビットパターンの発生頻度が全てのビットパターンで等しいという仮定の下に推定する方法である。よって、実システムのようにビットパターンの発生頻度が必ずしも一律ではなくゆらぎがある場合は、相関関係に歪みが生じ、ビート雑音の推定誤差に影響を及ぼす場合がある。
【００１５】
実システムのようにビットパターンの発生頻度が必ずしも一律ではなくゆらぎがある場合を考察するにあたり、相関器２３中のＬＰＦ３４における時定数に注目する。ビート雑音推定器１３で推定するビート雑音は、低周波である位相雑音も含めて推定する必要があるため、ＬＰＦ３４のカットオフ周波数をなるべく高く設定する、つまり時定数を短くすることが望まれる。また、時定数を長く取るとビート雑音推定器１３の出力においてタイムラグが発生するという理由からも時定数は短く設定することが望ましい。一方、時定数を短くすると平均化する際のサンプル数が減るため、ビットパターンに偏りが生じ、ゆらぎによる推定誤差が大きくなる。これらを図８にまとめる。以上より、ビットパターンのゆらぎによる影響を小さくすることができれば、ＬＰＦ３４の時定数を短く設定したとしても、ビート雑音推定器１３の推定誤差を小さくすることが可能である。
【００１６】
そこで、前記課題を解決するために、本発明は、ビットパターンのゆらぎによる影響を小さくすることにより、ビート雑音推定器の推定誤差を小さくすることができる、光受信方法、光受信装置及びビート雑音推定器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記目的を達成するために、ビート雑音推定器は、雑音信号と信号成分推定値とから算出した補正前のビート雑音推定値を、ビート雑音推定対象である複数の信号成分についての信号成分推定値の乗算値から算出した擬似的なビート雑音推定値で補正した値を、補正後のビート雑音推定値として出力することとした。
【００１８】
具体的には、本発明は、光電変換器が、受信した送信光信号を光電変換して受信電気信号を出力し、ビート雑音推定器が、前記光電変換器からの受信電気信号に含まれるビート雑音を推定し、推定したビート雑音をビート雑音推定値として出力し、最尤判定器が、前記光電変換器からの受信電気信号と前記ビート雑音推定器からのビート雑音推定値とから、事後確率が最大となるビットパターンを前記送信光信号のビットパターンであると最大尤度判定し、前記光電変換器からの受信電気信号に含まれる信号成分を推定して信号成分推定値として出力する、光受信方法であって、前記ビート雑音推定器は、遅延子、減算器及び相関器を有しており、前記遅延子は、前記光電変換器が出力する受信電気信号に時間遅延を与え、前記減算器は、前記遅延子が時間遅延した受信電気信号から前記最尤判定器が出力する信号成分推定値を減算して受信電気信号から信号成分を除去した雑音信号を出力し、前記相関器は、前記減算器が出力する雑音信号と前記最尤判定器が出力する信号成分推定値との相関関係から算出した補正前のビート雑音推定値を、前記最尤判定器が出力するビート雑音推定対象である複数の信号成分についての信号成分推定値の乗算値から算出した擬似的なビート雑音推定値で補正した値を、補正後のビート雑音推定値として出力することを特徴とする光受信方法である。
【００１９】
また、本発明は、受信した送信光信号を光電変換して受信電気信号を出力する光電変換器と、前記光電変換器からの受信電気信号に含まれるビート雑音を推定し、推定したビート雑音をビート雑音推定値として出力するビート雑音推定器と、前記光電変換器からの受信電気信号と前記ビート雑音推定器からのビート雑音推定値とから、事後確率が最大となるビットパターンを前記送信光信号のビットパターンであると最大尤度判定し、前記光電変換器からの受信電気信号に含まれる信号成分を推定して信号成分推定値として出力する最尤判定器と、を備える光受信装置であって、前記ビート雑音推定器は、前記光電変換器が出力する受信電気信号に時間遅延を与える遅延子と、前記遅延子が時間遅延した受信電気信号から前記最尤判定器が出力する信号成分推定値を減算して受信電気信号から信号成分を除去した雑音信号を出力する減算器と、前記減算器が出力する雑音信号と前記最尤判定器が出力する信号成分推定値との相関関係から算出した補正前のビート雑音推定値を、前記最尤判定器が出力するビート雑音推定対象である複数の信号成分についての信号成分推定値の乗算値から算出した擬似的なビート雑音推定値で補正した値を、補正後のビート雑音推定値として出力する相関器と、を有することを特徴とする光受信装置である。
【００２０】
また、本発明は、受信した送信光信号を光電変換して受信電気信号を出力する光電変換器が出力する受信電気信号に時間遅延を与える遅延子と、前記遅延子が時間遅延した受信電気信号から、前記光電変換器からの受信電気信号に含まれる信号成分を推定して信号成分推定値として出力する最尤判定器が出力する信号成分推定値を減算して、受信電気信号から信号成分を除去した雑音信号を出力する減算器と、前記減算器が出力する雑音信号と前記最尤判定器が出力する信号成分推定値との相関関係から算出した補正前のビート雑音推定値を、前記最尤判定器が出力するビート雑音推定対象である複数の信号成分についての信号成分推定値の乗算値から算出した擬似的なビート雑音推定値で補正した値を、補正後のビート雑音推定値として出力する相関器と、を備えることを特徴とするビート雑音推定器である。
【００２１】
雑音信号と信号成分推定値とから算出したビート雑音推定値は、補正前のビート雑音推定値である。ビート雑音推定対象である複数の信号成分についての信号成分推定値の乗算値から算出したビート雑音推定値は、擬似的なビート雑音推定値である。ここで、補正前のビート雑音推定値は、補正後のビート雑音推定値及びビットパターンのゆらぎの影響を反映した係数の乗算値である。そして、擬似的なビート雑音推定値は、既知の振幅のビート雑音及びビットパターンのゆらぎの影響を反映した係数の乗算値である。補正前のビート雑音推定値を擬似的なビート雑音推定値で補正することにより、ビットパターンのゆらぎの影響を反映した係数はキャンセルされ、補正後のビート雑音推定値を既知の振幅のビート雑音で除することと同様の結果を得る。当該結果及び既知の振幅から、正確なビート雑音推定値を算出することができ、ビート雑音推定器の推定誤差を小さくすることができる。ビート雑音推定器として、相関器を利用することができる。
【００２２】
また、本発明は、前記送信光信号は、送信側からの送信データが周波数領域にて符号化する光符号分割多重方式で多重化されており、光分離器が、前記送信光信号を周波数成分毎に複数の光信号に分離し、前記光分離器で分離された光信号の数だけ備えられた前記光電変換器が、分離された光信号毎に光電変換して受信電気信号を出力し、前記ビート雑音推定器が、受信電気信号のビート雑音を推定し、前記最尤判定器が、受信電気信号の復号と最大尤度判定を行うことを特徴とする光受信方法である。
【００２３】
また、本発明は、前記送信光信号は、送信側からの送信データが周波数領域にて符号化する光符号分割多重方式で多重化されており、光分離器が、前記送信光信号を周波数成分毎に複数の光信号に分離し、前記光分離器で分離された光信号の数だけ備えられた前記光電変換器が、分離された光信号毎に光電変換して受信電気信号を出力し、前記ビート雑音推定器が、受信電気信号のビート雑音を推定し、前記最尤判定器が、受信電気信号の復号と最大尤度判定を行うことを特徴とする光受信装置である。
【００２４】
この構成によれば、周波数領域において符号化する光ＣＤＭ方式によって光多重伝送が行われる場合でもビート雑音の影響を低減することができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明は、ビットパターンのゆらぎによる影響を小さくすることにより、ビート雑音推定器の推定誤差を小さくすることができる、光受信方法、光受信装置及びビート雑音推定器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】従来技術の光受信装置の機能を説明するブロック図である。
【図２】実施形態１の光受信装置の機能を説明するブロック図である。
【図３】図１の光受信装置でのビート雑音推定値の出力特性を示した図である。
【図４】図２の光受信装置でのビート雑音推定値の出力特性を示した図である。
【図５】実施形態２の光受信装置の機能を説明するブロック図である。
【図６】図５の光受信装置でのデータ系列のＢＥＲ特性を示した図である。
【図７】各ビットパターンでの減算器、信号変換器及び乗算器の出力を示す図である。
【図８】ビット雑音推定値の推定誤差の様々な原因を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施の例であり、本発明は以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。
【００２８】
（実施形態１）
図２に本実施形態の光受信装置の機能を説明するブロック図を示す。図２の光受信装置の動作を説明する。光通信路より伝送されてきた送信光信号９０は、光電変換器１１にて受信電気信号９１に変換される。光電変換器１１には一般的なフォトダイオード（Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ：ＰＤ）などが適用される。受信電気信号９１は分離され最尤判定器１２及びビート雑音推定器１３に入力される。受信電気信号９１には信号成分の他にガウス雑音及びビート雑音が含まれる。最尤判定器１２ではこれら雑音が含まれる受信電気信号９１を、事後確率を用いて正しい信号成分だけ取り出すように最大尤度判定する。
【００２９】
最大尤度判定は、ガウス雑音に対する確率密度分布とビート雑音推定器１３によって推定されるビート雑音に対する確率密度分布を用いて事後確率を演算し、最も事後確率が大きくなるビットパターンを選択する判定方法である。最尤判定器１２は、選択されたビットパターンを受信電気信号９１に含まれる信号成分を推定し、信号成分推定値９２を出力する。例えば、最尤判定器１２が、光電変換器１１からの受信電気信号９１に含まれるガウス雑音に対する確率密度分布と光電変換器１１からの受信電気信号９１に含まれるビート雑音に対する確率密度分布とを用いてビットパターン全ての事後確率を演算し、最大の事後確率のビットパターンを送信光信号９０のビットパターンであると最大尤度判定することとしてもよい。
【００３０】
ビート雑音推定器１３は、光電変換器１１にて出力される受信電気信号９１と最尤判定器１２にて出力される信号成分推定値９２を基に、所定の方法によりビート雑音の推定を行う。図２の光受信装置は、最尤判定器１２の最大尤度判定とビート雑音推定器１３の推定との組み合わせにより、受信電気信号９１に対するビート雑音の影響を低減する。なお、複数のビート雑音が発生する場合、発生した全てのビート雑音を推定する必要があるため、受信装置は発生するビート雑音の数の分だけビート雑音推定器１３を備える。
【００３１】
最尤判定器１２とビート雑音推定器１３とは、各々互いの推定情報を利用しているため、初期状態では推定精度が低い、あるいは発散してしまう可能性がある。そこで初期状態の最尤判定器１２は、通信開始時に送信される固定のプリアンブルパターンを出力するものとし、ビート雑音推定器１３の精度が高くなった時点で、最大尤度判定結果の出力に切り替えるものとしてもよい。
【００３２】
相関器２３は、演算回路３１、信号変換器３２、乗算器３３及びＬＰＦ３４の他に、乗算器３５、ＬＰＦ３６及びゆらぎ補正演算器３７を有する。演算回路３１は、最尤判定器１２が出力するビート雑音推定対象である複数の信号成分について、信号成分推定値の乗算値を算出する。乗算器３５は、ビットパターンのパターン１，２，３に応じて、演算回路３１からの乗算値と信号変換器３２からの係数を乗算する。ＬＰＦ３６は、乗算器３５からの乗算値を平均化して、擬似的なビート雑音推定値を算出する。ゆらぎ補正演算器３７は、ＬＰＦ３４からの補正前のビート雑音推定値を、ＬＰＦ３６からの擬似的なビート雑音推定値で補正した値を、補正後のビート雑音推定値として出力する。
【００３３】
ビットパターンのゆらぎがビート雑音推定値にどのように影響するかを説明する。ビットパターンが｛１，１，ｘ｝（ｘは｛０｝または｛１｝）の発生頻度のゆらぎ成分としてα及びβを定義する。ゆらぎ成分α、βを用いると、ビットパターン｛１，１，０｝の発生頻度は１／８＋αと表せ、ビットパターン｛１，１，１｝の発生頻度は１／８＋βと表せる。ＬＰＦ３４からの補正前のビート雑音推定値ｂ＾１２は数式（１）のようになる。ただし、ａ＝２０／３α＋４／３βとする。
ｂ＾１２＝｛２０／３（１／８＋α）＋４／３（１／８＋β）｝ｂ１２
＝｛１＋２０／３α＋４／３β｝ｂ１２＝（１＋ａ）ｂ１２ （１）
【００３４】
つまり、ビットパターンのゆらぎがなければ、乗算器３５、ＬＰＦ３６及びゆらぎ補正演算器３７による補正がなくても、ａ＝０（α＝０、β＝０）となることから、ビットパターンのゆらぎ成分による推定誤差が０となり、ビート雑音推定値はｂ１２となる。しかし、ビットパターンのゆらぎが大きいと、乗算器３５、ＬＰＦ３６及びゆらぎ補正演算器３７による補正がなければ、ビットパターンのゆらぎ成分による推定誤差が大きくなり、ビート雑音推定値はｂ１２とは異なるｂ＾１２となる。
【００３５】
そこで、実施形態１のビート雑音推定器１３は、以下の説明のように動作する。演算回路３１、信号変換器３２、乗算器３３及びＬＰＦ３４は、従来技術と同様に補正前のビート雑音推定値を算出する。演算回路３１、信号変換器３２、乗算器３５及びＬＰＦ３６は、擬似的なビート雑音を算出する。ゆらぎ補正演算器３７は、補正前のビート雑音推定値を擬似的なビート雑音推定値で補正した値を、補正後のビート雑音推定値として出力する。
【００３６】
演算回路３１は、｛１，１，０｝及び｛１，１，１｝のビットパターンにおいて、ビート雑音推定対象であるチャネル１、２の信号成分について、それぞれ信号成分推定値の乗算値として１を算出する。そして、演算回路３１は、｛１，１，０｝及び｛１，１，１｝以外のビットパターンにおいて、ビート雑音推定対象であるチャネル１、２の信号成分について、それぞれ信号成分推定値の乗算値として０を算出する。このように、演算回路３１は、信号成分推定値の乗算値として１を算出することにより、振幅が実際とは異なり１である擬似的なビート雑音信号を生成しているのである。
【００３７】
なお、本来のビート雑音信号は、数式（２）のように表せる。ここで、ｃ１、ｃ２は、チャネル１、２の送信ビット、Ａ１、Ａ２は、チャネル１、２の信号振幅、ｆ１、ｆ２は、チャネル１、２の光周波数、θ１、θ２は、チャネル１、２の位相雑音を表す。
ｃ１×ｃ２×Ａ１×Ａ２×ｃｏｓ（２π（ｆ１−ｆ２）ｔ＋θ１−θ２） （２）
【００３８】
乗算器３５は、｛１，１，０｝のビットパターンに応じて、演算回路３１からの乗算値である１と信号変換器３２からの係数である２０／３を乗算し、乗算値として２０／３を算出する。そして、乗算器３５は、｛１，１，１｝のビットパターンに応じて、演算回路３１からの乗算値である１と信号変換器３２からの係数である４／３を乗算し、乗算値として４／３を算出する。さらに、乗算器３５は、｛１，１，０｝及び｛１，１，１｝以外のビットパターンに応じて、演算回路３１からの乗算値である０と信号変換器３２からの係数である（−４／３）を乗算し、乗算値として０を算出する。
【００３９】
ビットパターン｛１，１，０｝の発生頻度は１／８＋αであり、ビットパターン｛１，１，１｝の発生頻度は１／８＋βである。よって、ＬＰＦ３６は、乗算器３５からの乗算値を平均化して、擬似的なビート雑音推定値を数式（３）のように算出する。
２０／３（１／８＋α）＋４／３（１／８＋β）
＝１＋２０／３α＋４／３β＝１＋ａ （３）
【００４０】
数式（１）に記載したように、補正前のビート雑音推定値は（１＋ａ）ｂ１２であり、数式（３）に記載したように、擬似的なビート雑音推定値は１＋ａである。よって、ゆらぎ補正演算器３７は、補正前のビート雑音推定値を擬似的なビート雑音推定値で除する補正をした値ｂ１２を、補正後のビート雑音推定値として出力することができる。
【００４１】
なお、本実施形態では、対応する係数２０／３の絶対値が大きく発生頻度のゆらぎの影響が支配的になるビットパターンに注目して、｛１，１，ｘ｝の発生頻度のゆらぎα、βのみを補正の対象にしている。残りの｛０，０，０｝〜｛１，０，１｝の６パターンの発生頻度のゆらぎに対しても、本実施形態を拡張して適用することができる。
【００４２】
全てのビットパターンの発生頻度のゆらぎを補正する場合、ビート雑音推定値は数式（４）のように表せる。ここで、行列ａは、数式（１）のａに相当するビットパターンの発生頻度のゆらぎ、ベクトルｂ＾は、数式（１）のｂ＾１２に相当するビート雑音推定対象である複数の信号成分についての補正前のビート雑音推定値、ベクトルｂは、数式（１）のｂ１２に相当するビート雑音推定対象である複数の信号成分についての補正後のビート雑音推定値、行列Ｉは、単位行列を表す。よって、数式（４）の両辺に左側から（Ｉ＋ａ）−１という逆行列を乗算する補正をすることにより、ビート雑音推定対象である複数の信号成分についての補正後のビート雑音推定値ｂを算出することができる。
ｂ＾＝（Ｉ＋ａ）・ｂ （４）
【００４３】
図３は、図１の従来技術の光受信装置でのビート雑音推定値の出力特性を示した図であり、図４は、図２の実施形態１の光受信装置でのビート雑音推定値の出力特性を示した図である。横軸は、ある時刻におけるビットタイムを示しており、縦軸は、ビート雑音信号の大きさを示しており、ＬＰＦ３４、３６の時定数は、τ＝４０［ｂｉｔ ｔｉｍｅ］である。ビート雑音信号は通常数式（２）のように正弦波信号となるため、入力信号はビート雑音信号が正弦波信号となるような信号を用いている。図３、４では、入力信号のビート雑音の大きさが、ビート雑音推定値の大きさと合わせて示されている。
【００４４】
図１の従来技術の光受信装置では、ビート雑音の推定誤差が発生し、特にビート雑音が大きい場合にビート雑音の推定誤差もより大きくなっている。図２の実施形態１の光受信装置では、ビート雑音の推定誤差は発生するものの、その大きさは非常に小さくビート雑音の大きさによらずにビート雑音をほぼ推定できていることは明らかである。
【００４５】
以上の動作によって、送信ビットパターンのゆらぎに依存しないビート雑音推定が達成される。上記は、３チャネルの場合を掲載しているが、ｎ（ｎ≧４）チャネルの場合でも係数を適切に設定することにより、特定のビート雑音を推定することができる。
【００４６】
（実施形態２）
図５に本実施形態の光受信装置の機能を説明するブロック図を示す。図５の光受信装置と図２の光受信装置との違いは、送信光信号９０を周波数成分毎に複数の光信号に分離する光分離器５１と、光分離器５１で分離された光信号の数の光電変換器を備えていることである。図５の光受信装置では、光分離器５１が送信光信号９０を３つの光信号に分離するため、光電変換器５２ａ、光電変換器５２ｂ及び光電変換器５２ｃを備えている。
【００４７】
図５の光受信装置は、光ＣＤＭ方式を前提とし、なかでも周波数領域において符号化する方式において、ユーザあるいはチャネル間で同一周波数を共有することから発生するビート雑音の影響低減を目的としている。
【００４８】
具体的には、図５の光受信装置の光受信方法は、送信光信号９０は、送信側からの送信データが周波数領域にて符号化する光符号分割多重方式で多重化されており、光分離器５１が、送信光信号９０を周波数成分毎に複数の光信号に分離し、光分離器５１で分離された光信号の数だけ備えられた光電変換器５２ａ〜５２ｃが、分離された光信号毎に光電変換して受信電気信号９１を出力し、ビート雑音推定器１３が、受信電気信号９１のビート雑音を推定し、最尤判定器５３が、受信電気信号９１の復号と最大尤度判定を行う。ここで、ビート雑音推定器１３は全ての受信電気信号９１のビート雑音を推定してもよく、最尤判定器５３が、全ての受信電気信号９１の復号と最大尤度判定を行ってもよい。
【００４９】
図６は、図５の光受信装置を用いた場合の、データ系列のＢＥＲ特性を示した図である。発明の効果を示すために、従来の光受信方法である硬判定により信号判定した結果も合わせて示す。ビート雑音の影響を考えない場合、硬判定によるＢＥＲ特性は破線Ｒ１のようになる。ビート雑音の影響を考慮した場合、ＢＥＲ特性は破線Ｒ２のようになる。破線Ｒ１に比べＢＥＲ特性は劣化し、ビート雑音の影響が非常に大きい。一方、図５の光受信装置で説明した光受信方法を適用すると実線Ｒ３のようになる。実線Ｒ３のＢＥＲ特性は大幅に改善され、ビート雑音の影響が低減される。
【００５０】
このように、図５の光受信装置は、周波数領域において符号化する光ＣＤＭ方式によって光多重伝送が行われる場合でも、ビート雑音の影響を低減することが可能である。なお、本実施形態においては、ユーザ数及び使用周波数の数が限定されるということはない。よって、光電変換器５２ａ〜５２ｃの数も使用周波数の数に対応して変わることになる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
複数の光信号を同時に受信する光受信装置であれば、公衆通信網、専用網、ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）等に適用することができる。
【符号の説明】
【００５２】
１１：光電変換器
１２：最尤判定器
１３：ビート雑音推定器
２１：遅延子
２２：減算器
２３：相関器
３１：演算回路
３２：信号変換器
３３：乗算器
３４：ＬＰＦ
３５：乗算器
３６：ＬＰＦ
３７：ゆらぎ補正演算器
５１：光分離器
５２ａ、５２ｂ、５２ｃ：光電変換器
５３：最尤判定器
９０：送信光信号
９１：受信電気信号
９２：信号成分推定値
９３：ビート雑音推定値
９５：雑音信号
Ｒ１、Ｒ２：破線
Ｒ３：実線
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換器が、受信した送信光信号を光電変換して受信電気信号を出力し、
ビート雑音推定器が、前記光電変換器からの受信電気信号に含まれるビート雑音を推定し、推定したビート雑音をビート雑音推定値として出力し、
最尤判定器が、前記光電変換器からの受信電気信号と前記ビート雑音推定器からのビート雑音推定値とから、事後確率が最大となるビットパターンを前記送信光信号のビットパターンであると最大尤度判定し、前記光電変換器からの受信電気信号に含まれる信号成分を推定して信号成分推定値として出力する、
光受信方法であって、
前記ビート雑音推定器は、遅延子、減算器及び相関器を有しており、
前記遅延子は、前記光電変換器が出力する受信電気信号に時間遅延を与え、
前記減算器は、前記遅延子が時間遅延した受信電気信号から前記最尤判定器が出力する信号成分推定値を減算して受信電気信号から信号成分を除去した雑音信号を出力し、
前記相関器は、前記減算器が出力する雑音信号と前記最尤判定器が出力する信号成分推定値との相関関係から算出した補正前のビート雑音推定値を、前記最尤判定器が出力するビート雑音推定対象である複数の信号成分についての信号成分推定値の乗算値から算出した擬似的なビート雑音推定値で補正した値を、補正後のビート雑音推定値として出力することを特徴とする光受信方法。
【請求項２】
前記送信光信号は、送信側からの送信データが周波数領域にて符号化する光符号分割多重方式で多重化されており、
光分離器が、前記送信光信号を周波数成分毎に複数の光信号に分離し、
前記光分離器で分離された光信号の数だけ備えられた前記光電変換器が、分離された光信号毎に光電変換して受信電気信号を出力し、
前記ビート雑音推定器が、受信電気信号のビート雑音を推定し、
前記最尤判定器が、受信電気信号の復号と最大尤度判定を行うことを特徴とする請求項１に記載の光受信方法。
【請求項３】
受信した送信光信号を光電変換して受信電気信号を出力する光電変換器と、
前記光電変換器からの受信電気信号に含まれるビート雑音を推定し、推定したビート雑音をビート雑音推定値として出力するビート雑音推定器と、
前記光電変換器からの受信電気信号と前記ビート雑音推定器からのビート雑音推定値とから、事後確率が最大となるビットパターンを前記送信光信号のビットパターンであると最大尤度判定し、前記光電変換器からの受信電気信号に含まれる信号成分を推定して信号成分推定値として出力する最尤判定器と、
を備える光受信装置であって、
前記ビート雑音推定器は、
前記光電変換器が出力する受信電気信号に時間遅延を与える遅延子と、
前記遅延子が時間遅延した受信電気信号から前記最尤判定器が出力する信号成分推定値を減算して受信電気信号から信号成分を除去した雑音信号を出力する減算器と、
前記減算器が出力する雑音信号と前記最尤判定器が出力する信号成分推定値との相関関係から算出した補正前のビート雑音推定値を、前記最尤判定器が出力するビート雑音推定対象である複数の信号成分についての信号成分推定値の乗算値から算出した擬似的なビート雑音推定値で補正した値を、補正後のビート雑音推定値として出力する相関器と、
を有することを特徴とする光受信装置。
【請求項４】
前記送信光信号は、送信側からの送信データが周波数領域にて符号化する光符号分割多重方式で多重化されており、
光分離器が、前記送信光信号を周波数成分毎に複数の光信号に分離し、
前記光分離器で分離された光信号の数だけ備えられた前記光電変換器が、分離された光信号毎に光電変換して受信電気信号を出力し、
前記ビート雑音推定器が、受信電気信号のビート雑音を推定し、
前記最尤判定器が、受信電気信号の復号と最大尤度判定を行うことを特徴とする請求項３に記載の光受信装置。
【請求項５】
受信した送信光信号を光電変換して受信電気信号を出力する光電変換器が出力する受信電気信号に時間遅延を与える遅延子と、
前記遅延子が時間遅延した受信電気信号から、前記光電変換器からの受信電気信号に含まれる信号成分を推定して信号成分推定値として出力する最尤判定器が出力する信号成分推定値を減算して、受信電気信号から信号成分を除去した雑音信号を出力する減算器と、
前記減算器が出力する雑音信号と前記最尤判定器が出力する信号成分推定値との相関関係から算出した補正前のビート雑音推定値を、前記最尤判定器が出力するビート雑音推定対象である複数の信号成分についての信号成分推定値の乗算値から算出した擬似的なビート雑音推定値で補正した値を、補正後のビート雑音推定値として出力する相関器と、
を備えることを特徴とするビート雑音推定器。
【請求項１】
光電変換器が、受信した送信光信号を光電変換して受信電気信号を出力し、
ビート雑音推定器が、前記光電変換器からの受信電気信号に含まれるビート雑音を推定し、推定したビート雑音をビート雑音推定値として出力し、
最尤判定器が、前記光電変換器からの受信電気信号と前記ビート雑音推定器からのビート雑音推定値とから、事後確率が最大となるビットパターンを前記送信光信号のビットパターンであると最大尤度判定し、前記光電変換器からの受信電気信号に含まれる信号成分を推定して信号成分推定値として出力する、
光受信方法であって、
前記ビート雑音推定器は、遅延子、減算器及び相関器を有しており、
前記遅延子は、前記光電変換器が出力する受信電気信号に時間遅延を与え、
前記減算器は、前記遅延子が時間遅延した受信電気信号から前記最尤判定器が出力する信号成分推定値を減算して受信電気信号から信号成分を除去した雑音信号を出力し、
前記相関器は、前記減算器が出力する雑音信号と前記最尤判定器が出力する信号成分推定値との相関関係から算出した補正前のビート雑音推定値を、前記最尤判定器が出力するビート雑音推定対象である複数の信号成分についての信号成分推定値の乗算値から算出した擬似的なビート雑音推定値で補正した値を、補正後のビート雑音推定値として出力することを特徴とする光受信方法。
【請求項２】
前記送信光信号は、送信側からの送信データが周波数領域にて符号化する光符号分割多重方式で多重化されており、
光分離器が、前記送信光信号を周波数成分毎に複数の光信号に分離し、
前記光分離器で分離された光信号の数だけ備えられた前記光電変換器が、分離された光信号毎に光電変換して受信電気信号を出力し、
前記ビート雑音推定器が、受信電気信号のビート雑音を推定し、
前記最尤判定器が、受信電気信号の復号と最大尤度判定を行うことを特徴とする請求項１に記載の光受信方法。
【請求項３】
受信した送信光信号を光電変換して受信電気信号を出力する光電変換器と、
前記光電変換器からの受信電気信号に含まれるビート雑音を推定し、推定したビート雑音をビート雑音推定値として出力するビート雑音推定器と、
前記光電変換器からの受信電気信号と前記ビート雑音推定器からのビート雑音推定値とから、事後確率が最大となるビットパターンを前記送信光信号のビットパターンであると最大尤度判定し、前記光電変換器からの受信電気信号に含まれる信号成分を推定して信号成分推定値として出力する最尤判定器と、
を備える光受信装置であって、
前記ビート雑音推定器は、
前記光電変換器が出力する受信電気信号に時間遅延を与える遅延子と、
前記遅延子が時間遅延した受信電気信号から前記最尤判定器が出力する信号成分推定値を減算して受信電気信号から信号成分を除去した雑音信号を出力する減算器と、
前記減算器が出力する雑音信号と前記最尤判定器が出力する信号成分推定値との相関関係から算出した補正前のビート雑音推定値を、前記最尤判定器が出力するビート雑音推定対象である複数の信号成分についての信号成分推定値の乗算値から算出した擬似的なビート雑音推定値で補正した値を、補正後のビート雑音推定値として出力する相関器と、
を有することを特徴とする光受信装置。
【請求項４】
前記送信光信号は、送信側からの送信データが周波数領域にて符号化する光符号分割多重方式で多重化されており、
光分離器が、前記送信光信号を周波数成分毎に複数の光信号に分離し、
前記光分離器で分離された光信号の数だけ備えられた前記光電変換器が、分離された光信号毎に光電変換して受信電気信号を出力し、
前記ビート雑音推定器が、受信電気信号のビート雑音を推定し、
前記最尤判定器が、受信電気信号の復号と最大尤度判定を行うことを特徴とする請求項３に記載の光受信装置。
【請求項５】
受信した送信光信号を光電変換して受信電気信号を出力する光電変換器が出力する受信電気信号に時間遅延を与える遅延子と、
前記遅延子が時間遅延した受信電気信号から、前記光電変換器からの受信電気信号に含まれる信号成分を推定して信号成分推定値として出力する最尤判定器が出力する信号成分推定値を減算して、受信電気信号から信号成分を除去した雑音信号を出力する減算器と、
前記減算器が出力する雑音信号と前記最尤判定器が出力する信号成分推定値との相関関係から算出した補正前のビート雑音推定値を、前記最尤判定器が出力するビート雑音推定対象である複数の信号成分についての信号成分推定値の乗算値から算出した擬似的なビート雑音推定値で補正した値を、補正後のビート雑音推定値として出力する相関器と、
を備えることを特徴とするビート雑音推定器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−６０３５９（Ｐ２０１２−６０３５９Ａ）
【公開日】平成２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２００８３５（Ｐ２０１０−２００８３５）
【出願日】平成２２年９月８日（２０１０．９．８）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月８日（２０１０．９．８）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
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